基于大概念與科學實踐的連貫課程設計

周玉芝

關鍵詞：連貫課程;大概念;科學實踐;AP化學

美國大學先修課程（Advanced Placement Course，以下簡稱AP）是由美國大學理事會主持開發的面向學有余力的優秀高中生提供的大學先修課程。該課程可以幫助高中生提前學到大學課程（一般為大學一年級的水平），并有機會獲得大學的學分。研究表明，在美國AP考試中取得3分或更高成績的學生通常會在大學里獲得更大的學業成功，這種成效的取得與其課程不斷吸收先進的教育教學理念來優化課程內容和課程結構具有一定關系。美國AP化學課程以學科大概念為課程組織框架、強調基礎知識與科學實踐進行統整等特色已引起我國專家和學者的關注。2019年秋季，美國大學理事會又一次修訂了AP化學、物理、生物等課程和考試說明（course and exam description），這是繼2014年頒布的課程和考試說明后的再次修訂。新修訂的科學類AP課程不僅確定了新的學科大概念，而且基于大概念和科學實踐為課程的組織要素，構建了外顯的連貫性課程設計。

我國教育部在2018年發布的《普通高中課程方案（2017年版）》強調要形成以學科大概念為核心的結構化課程內容，促進學科核心素養的落實。研究美國AP化學課程基于大概念和科學實踐的課程設計方法對一線教師開展學科核心素養培養為導向的化學教學設計具有參考和借鑒價值。

1美國AP化學課程設計方法及其分析

1.1構建以大概念為統領的學科知識內容結構

隨著科學與技術的發展，新的科學知識與技術不斷涌現，如何平衡課程內容廣度和理解深度就成為課程設計中不得不面對的現實問題。對專家和新手的知識結構研究表明，專家具有圍繞本領域內主要的組織原則和基本概念原理組織起來的高度關聯的知識結構，這種知識結構可以幫助他們辨別問題的本質，并在提取和運用知識時更為快捷有效。因此，很多研究主張通過具有遷移價值和統攝價值的大概念來幫助學生構建合理的知識結構，使他們能夠把所學知識進行舉一反三和遷移應用，從而達到以少勝多的目的。

美國《下一代科學教育標準》強調科學課程要圍繞一系列有限的大概念來組織展開，給學生足夠的機會和時間去理解和實踐，以幫助學生建立對科學更為深入、連貫、系統的知識結構。我國《普通高中化學課程標準（2017年版）》亦指出：重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化;化學教學內容的組織，應有利于促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化，而內容的結構化則是實現這種轉化的關鍵。

美國AP化學課程構建了以大概念為統領的學科知識內容結構，該結構如圖1所示。

最上位起到統領作用的是大概念，下一層級是對大概念展開所形成的多個重要概念（也稱為持久理解），每一持久理解的下一層級為支持該持久理解形成所必需的基本知識。構建以上學科知識結構的好處是不必讓學生去記憶大量的事實性知識，只需要選擇最基本的支持大概念和持久理解的基本知識即可，教學重點更加聚焦于具有遷移價值的大概念及其持久理解。下面分別闡述大概念、持久理解和基本知識的確定。

1.1.1確定學科大概念

什么是大概念呢？美國下一代科學教育標準對大概念（core ideas）是這樣界定的：大概念是具有解釋力的概念，可以幫助學習者認識自然界的各個重要方面，而且大概念可以為新知識的獲取提供組織結構。確定大概念的標準為：對于多個學科來說都是非常重要的或者是某一學科的關鍵性原理;為理解和研究更為復雜的概念和解決問題提供重要工具;與學生的興趣和生活經驗相關，或者關系到社會和個人的需要利用科學或技術知識來理解的利害關系;在各個年級都可以進行不同水平的教與學，概念的深度和復雜度隨著年級的增長也日趨增長。

我國《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：大概念是處于學科中心位置、對學生學習具有引領作用的基礎知識。在生物學課程中，大概念包括了對原理、理論等的理解和解釋，是生物學科知識的主干部分。

對于一個學科而言，確定哪些概念是學科大概念并非易事。2014年的美國《AP化學課程與考試說明》首次提出了AP化學課程的6個化學大概念（見表1）。這6個大概念涉及了物質的組成與構成、結構與性質、物質的變化、化學反應速率、化學熱力學、化學鍵和分子問作用力等知識內容。

但在2019年美國AP化學課程中，化學大概念變為了4個，分別為“尺度、比例和數量”“結構與性質”“轉化”和“能量”（見表1）。不僅新增了“尺度、比例和數量”和“能量”兩個大概念，而且2019年美國AP化學課程中“轉化”大概念的含義也與2014年美國AP化學課程中的“物質的變化包括原子的重排以及電子的轉移”以及“化學反應速率由分子如何碰撞所決定”兩個大概念的含義有所不同。

在2019年美國AP化學課程中，一些與數量、尺度相關的知識被組織到“尺度、比例和數量”這一大概念下，而在2014年美國AP化學課程中這些知識分別統攝在物質的組成和構成、結構與性質等大概念下。2019年美國AP化學課程還把動力學、熱力學等主題中與能量相關的知識關聯到了“能量”這一大概念下。例如，動力學主題中有關催化劑的知識放在了大概念“能量”下，而反應速率和粒子碰撞的頻率之間有關系等知識則放在了大概念“轉化”下。

通過美國AP化學課程大概念的變化可知，一門課程的學科大概念不是固定不變的。相比于2014年美國AP化學課程所提出的6個大概念，2019年美國AP化學課程所選定的大概念更加概括，也更傾向于跨學科，是從定量、結構、轉化和能量四個視角構建學科知識結構。這種變化意味著對定量研究意識的強調和希望學生具有更加橫向貫通的知識結構。

1.1.2確定大概念為統領的重要概念

在美國AP化學課程中，確定了學科大概念后，進而確定出一些相關的重要概念，這些重要概念被稱為“持久理解”（enduring understanding），相當于是從不同角度和不同層面對大概念的理解。以“尺度、比例和數量”這一化學學科大概念為例，該大概念下有5個持久理解，見表2。

由表2可見，大概念“尺度、比例和數量”的持久理解涉及物質的量、化學式、物質的溶解度、質量守恒定律、溶液pH等知識，指導學生建立定量化研究與表征化學的觀念。

1.1.3確定支持大概念持久理解學習的基本知識

在每個持久理解下還有若干支持其學習與理解的基本知識（essential knowledge）。例如，支持表2中的持久理解“Ideal.1摩爾使不同的單位能夠進行比較”的基本知識有以下5項，見表3。

對比表2和表3，可以看到相比于大概念的持久理解，基本知識則更加具體，比較貼近教科書上的具體知識要點，由這些基本知識支持學生理解更具統攝性的持久理解。例如，學生通過認識物質的量、摩爾、阿伏伽德羅常數、摩爾質量以及相對原子質量的含義等來理解摩爾使不同的單位能夠進行比較。

1.2從學科知識結構到教學組織結構

雖然依據學科大概念組織的知識結構進行教學有利于學生構建基于學科大概念為聯結的知識結構，但還要考慮知識的難度以及單一主題的持續學習對學生學習興趣可能引起的負面影響。2019年美國AP化學課程設置了原子結構與性質、分子和離子化合物的結構與性質、分子問作用力與性質、化學反應、化學動力學、化學熱力學、化學平衡、酸和堿、化學熱力學應用9個教學單元（unit）。這9個教學單元的內部是這樣組織的：

（1）一個教學單元一般包含7～14個教學主題（topic），每一個主題的教學聚焦于一個大概念的持久理解。圖2為這九個教學單元的主題所聚焦的大概念的持久理解。

（2）在每一教學單元的每一主題的教學聚焦于1個大概念的持久理解的同時，每一大概念的持久理解一般是經歷2～3個教學主題的教學。如圖2所示，單元1中的大概念的持久理解“Ideal.1摩爾使不同的單位能夠進行比較”分別是主題1和主題2教學所聚焦的核心。這樣設計的目的是既保證每一教學主題的知識內容是以學科大概念為主線的，又保證給予大概念的持久理解以充足的學習時間，讓學生能夠基于不同主題情境來發展對學科大概念的深入理解。

（3）每一單元的各個主題所聚焦的大概念相對比較集中。如圖2所示，單元2的7個主題都是圍繞大概念2的持久理解，單元3中13個主題里有10個主題是圍繞大概念2的持久理解而進行教學。

另一方面，并不是一個大概念的所有持久理解均安排在一個教學單元中，而是進行了一定的切割。例如，大概念2的10項持久理解分割在單元1、單元2、單元3和單元8的教學中，這樣安排的目的是為了使一個單元的教學時間不至于過于冗長，防止引起學生的認知疲勞，或為了降低學生學習的認知難度。

從整體來看，美國AP化學課程的組織要素是學科大概念的持久理解，構建了由主題到主題以及由單元到單元的基于大概念持久理解而形成的連貫學習序列。沿著學習進程的推進，大概念的持久理解也隨之逐漸發展。如圖2所示，從單元1到單元3，大概念的持久理解從Idea2.1進展到Idea2.8，到第8單元，再發展到Idea2.10。

1.3基于大概念和科學實踐雙主線的課程設計

除學科知識內容外，美國AP化學課程的另一基本組成要素為科學實踐。美國AP化學課程要求發展以下6項科學實踐：（1）確定科學問題和探究方法;（2）描述模型或表征;（3）分析和解釋模型;（4）創立表征或模型;（5）運用數學方法;（6）科學論證。

對于每一項科學實踐，美國AP化學課程與考試說明中均給出了細化的能力要求。例如，對于確定科學問題和探究方法這一科學實踐，美國AP化學課程提出了以下能力要求：1.1根據觀察、數據或模型確定可測試的科學問題;1.2提出假設或預測實驗結果;1.3確定針對探究問題的實驗程序;1.4在實驗中進行觀察或收集數據，同時注意實驗數據的精密度;1.5識別或描述實驗誤差的潛在來源;1.6解釋對實驗程序的修改將如何改變結果。

美國AP化學課程的每一單元的每一主題的教學除了聚焦于一項持久理解外，還會有一項需要著重培養的科學實踐能力。在每一單元的起始，均有一張關于本單元主題教學所聚焦的持久理解和科學實踐能力培養的明細表（見表4）。

由表4可見，第1教學單元的每一主題除了聚焦于一項大概念的持久理解外，還聚焦一項科學實踐能力培養。這樣設計的目的是讓每一教學主題重點發展一項細化的科學實踐能力，從而避免簡單地教科學探究程序的問題。

如果我們把美國AP化學課程中6項科學實踐在各個單元的培養分布制作一張圖（見圖3），可以看到每一單元涉及不同的科學實踐，但每一科學實踐會在不同單元教學中反復出現，這就使學生能夠基于不同的教學內容和不同的學習情境來反復練習科學實踐技能，實現科學實踐能力的螺旋式發展。

綜上所述，美國AP化學課程是基于大概念和科學實踐雙主線的連貫課程設計（見圖4），這種課程設計在有利于學生構建以大概念為統領的學科知識結構的同時，系統發展其科學實踐能力。

2對核心素養導向教學設計的啟示

2.1整體把握基于大概念的課程內容體系

美國科學促進協會“2061”計劃委員會指出：連貫性是高質量的教學標準、課程安排、教學指導和評價體系的基本要求。連貫的課程為學生創造了這樣一種可能：隨著學生在學校學習的進步，他們可以用更高的水準來理解概念，從而發展他們對周圍世界的認知能力。以核心素養為導向的教學更是需要通過連貫性的教學來促進關鍵能力和學科核心素養循序漸進地發展。美國AP化學課程提供了一種基于學科大概念進行整體課程設計的樣例，建議一線教師在分析我國國家課程標準基礎上，從大概念視角對本學科知識的結構進行梳理，把握學科知識結構;據此結合學生認知基礎整體規劃各個學年的教學單元和主題，通過聚焦于大概念及其理解的連貫教學來避免淺顯地覆蓋大量的主題，使學生能夠有充分的時間進行探究與深度學習，促進學生形成專家型的學科知識結構，發展綜合思維能力和問題解決能力。

2.2通過系統化設計培養學科核心素養

依據普通高中化學課程標準（2017年版），化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個方面，涉及證據推理、科學探究等重要學科能力的培養。學科能力和學科核心素養都需要循序漸進地進行培養，短期和缺乏系統性的學科能力培養活動勢必無法真正促進學生核心素養發展。例如，很多教師將科學探究的教學目標定為初步體驗或掌握科學探究的基本過程與程序，探究能力培養的教學成了教“探究流程”的教學，學生沒有時問與機會進行深入的探究、思考、體驗與發現，因而學生的實際獲得較少。我們知道，即便學生掌握了科學探究的一般程序，但這并不意味他們具有諸如開發或使用多種類型的模型來預測現象、說明機理等進行真正科學探究所需要的能力，因此為學生提供真正的發展其科學探究能力的鍛煉機會，有計劃、有目的地培養其科學實踐能力就變得十分必要。

美國AP化學課程在系統化設計科學實踐能力培養方面的三項做法值得參考：首先是細化科學實踐能力發展要求;第二是每一主題的教學聚焦于一項科學實踐能力的培養，從而避免簡單地教科學探究程序的問題;第三是設計科學實踐能力的培養規劃，即雖然每一主題僅聚焦一項科學實踐能力培養，但會規劃在不同單元教學中來逐步培養這一科學實踐能力，使學生基于不同的教學內容和不同的學習情境來反復練習這些科學實踐技能，實現科學實踐能力的螺旋式發展。

2.3以發展的眼光看學科大概念

如前所述，2014年美國AP化學課程確定的是6個學科大概念，而2019年的美國AP化學課程的學科大概念修改為4個。相比于2014年美國AP化學課程所提出的6個大概念，2019年美國AP化學課程所選定的大概念更加概括，也更傾向于跨學科，是從定量、結構、轉化和能量四個視角構建學科知識結構。美國AP化學課程的學科大概念的變化啟示我們，學科大概念的確定以及相應的課程內容的組織是學科課程專家對學科課程內容以及學科教育期望研究的結果，并非一成不變。我們要以發展的眼光看學科大概念以及相應的知識體系，并通過對學科知識結構和學科課程培養目標的深入理解來不斷審慎地優化學科大概念，確定有利于培養學生學科核心素養的大概念知識體系。